基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的安全預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計與研究

徐陽

摘 要：高速公路在使用過程中會出現(xiàn)不同程度的破損，通常高速公路養(yǎng)護過程不在中斷交通前提下進行，這樣會導(dǎo)致高速公路行駛路面變窄，在車輛高速通過時容易造成養(yǎng)護人員人身傷亡事故。文章基于公路養(yǎng)護人員的人身安全需求，設(shè)計一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的預(yù)警保護系統(tǒng)，通過對過往車輛的檢測和分析，為養(yǎng)護人員提供安全預(yù)警，有效保護公路養(yǎng)護人員的人身財產(chǎn)安全。

關(guān)鍵詞：高速公路;養(yǎng)護人員;物聯(lián)網(wǎng);預(yù)警系統(tǒng)

0 引言

隨著我國城市化建設(shè)進程的不斷推進，高速公路成為城市發(fā)展的主動脈，承擔(dān)著城市發(fā)展的重要責(zé)任。隨著高速公路通行車輛的不斷增加，路面破損等公路損耗也在不斷增加，這種情況的發(fā)生影響了高速公路使用的安全性和穩(wěn)定性，因此需要及時進行路面維修?，F(xiàn)階段的高速公路養(yǎng)護維修都是在不中斷交通的情況下進行，養(yǎng)護維修工作會占用路面空間，使得路面變窄。在車輛高速行駛的高速公路上，狹窄的施工路段存在很多的交通安全隱患，容易造成養(yǎng)護工作人員的人身財產(chǎn)傷亡。

現(xiàn)階段路面養(yǎng)護維修工作采取的防護手段比較單一且落后，僅僅是采用了圍欄、安全提示標(biāo)志、警示燈、路面錐桶，并輔以人工警示等。該種手段主要是針對汽車駕駛?cè)藛T的警示，使其盡可能注意養(yǎng)護施工區(qū)域。但這種手段無法體現(xiàn)對養(yǎng)護工作人員的主動防護，一旦出現(xiàn)可視條件差、車輛失控、駕駛?cè)藛T走神等狀況，這些被動手段很難起到對工作人員的保護作用，因此迫切需要一種對公路養(yǎng)護人員的主動預(yù)警防護手段[1-4]。

基于上述原因，本文設(shè)計了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的高速公路養(yǎng)護人員預(yù)警保護系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過設(shè)置可以移動預(yù)警檢測裝置，建立多級檢測機制。在車輛通過預(yù)警檢測裝置時分析車輛運行速度，根據(jù)車輛經(jīng)過多級裝置時的速度狀態(tài)來判斷駕駛員是否處于正常駕駛或者危險駕駛狀態(tài)。一旦判斷車輛處于危險駕駛狀態(tài)，則會經(jīng)由最后一級預(yù)警裝置向養(yǎng)護人員佩戴的預(yù)警肩燈發(fā)送預(yù)警信號，從而讓養(yǎng)護人員在危險車輛到來之前盡快撤離工作現(xiàn)場，避免可能發(fā)生的危險事故。通過上述主動預(yù)警提示操作，實現(xiàn)交通安全主動防護，保障公路養(yǎng)護人員的路面工作安全、警示過往車輛、減少交通事故的目的。

2 設(shè)計思路與原理

2.1 設(shè)計思路

本系統(tǒng)主要由可移動式預(yù)警檢測裝置、引導(dǎo)指示牌和警示肩燈共同組成，工作時系統(tǒng)使用多級可移動式預(yù)警檢測裝置構(gòu)建前后多級檢測結(jié)構(gòu)，前后級之間使用無線物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進行數(shù)據(jù)傳輸，中間使用引導(dǎo)指示牌起到預(yù)警引導(dǎo)作用，后級檢測裝置將最終分析結(jié)果發(fā)送給養(yǎng)護人員佩戴的警示肩燈，實現(xiàn)對養(yǎng)護人員的預(yù)警提示。系統(tǒng)組成如圖1所示。

該系統(tǒng)中，可移動式預(yù)警檢測裝置屬于核心部分，其內(nèi)部組成包括雷達(dá)測速單元、攝像單元、LED顯示單元、核心控制單元、物聯(lián)網(wǎng)無線傳輸單元和供電單元燈，引導(dǎo)指示牌作為輔助預(yù)警裝置起到信息提示作用，預(yù)警肩燈作為系統(tǒng)警示末端，起到最終的提示作用。移動式預(yù)警監(jiān)測裝置如圖2所示。

（1）雷達(dá)測速單元，采用高精度窄帶波雷達(dá)，在工作時雷達(dá)會發(fā)射固定頻率的脈沖波，如遇到活動目標(biāo)時，回波的頻率與發(fā)射頻率出現(xiàn)頻率差即多普勒頻率。根據(jù)多普勒頻率的大小，可以測出目標(biāo)對雷達(dá)的相對運動速度。

（2）視頻抓拍單元，采用CCD圖像采集器，具有超高的圖像分辨率。當(dāng)測速雷達(dá)檢測到有車輛經(jīng)過時，攝像頭會拍攝1～3張高清照片并在本地存儲，同時攝像單元采用的新型技術(shù)可以使得在同一張照片內(nèi)清晰顯示駕駛者容貌和車輛拍照等信息。

（3）LED顯示單元，用于顯示施工狀態(tài)提示、經(jīng)過車輛車速等，通過預(yù)警檢測裝置上的LED顯示屏，可以顯示施工提示信息、車輛限速信息等。同時，對檢測車輛的即時速度進行顯示，提醒車輛駕駛員對車速在合理范圍內(nèi)進行控制。

（4）核心處理單元，主要為高速處理器，其主要功能為對即時獲取的速度信息進行處理和分析，判斷過往車輛在當(dāng)前行駛狀態(tài)下是否會威脅路面養(yǎng)護人員生命安全，控制物聯(lián)網(wǎng)無線傳輸單元發(fā)送預(yù)警等級信息。

（5）物聯(lián)網(wǎng)無線傳輸單元，用于實現(xiàn)預(yù)警裝置和肩燈數(shù)據(jù)傳輸，通過無線傳輸單元能夠?qū)⒔?jīng)處理器處理后的數(shù)據(jù)進行傳輸。物聯(lián)網(wǎng)無線通信技術(shù)可以實現(xiàn)低電能消耗、大傳播距離的優(yōu)勢，而且無須單獨設(shè)置基站，減少了使用成本，提高了使用價值。

（6）引導(dǎo)指示牌，為太陽能雙色頻閃燈，主要起到隔離警戒作用。頻閃燈可以安裝到多種載體上，在高速公路系統(tǒng)中可以安裝到警示錐筒上，在提高錐桶警示效果的同時，還能改善能見度低、夜間等視野不良視野條件下的預(yù)警效果。

（7）預(yù)警肩燈，為雙色肩燈，設(shè)置常規(guī)交替閃爍、高速閃爍、爆閃等多種閃爍功能，內(nèi)部集成震動馬達(dá)，可以在肩燈閃爍的同時提供震動功能。通過內(nèi)置物聯(lián)網(wǎng)通信模塊，可以接受預(yù)警裝置發(fā)送的預(yù)警信息，并將其轉(zhuǎn)化為肩燈的不同閃爍和震動類型，對佩戴者進行預(yù)警提示。

2.2 工作原理

本文以二級預(yù)警系統(tǒng)為例作工作原理分析。預(yù)警系統(tǒng)經(jīng)過兩級車速分析判斷車輛運行狀態(tài)，通過分析結(jié)果決定發(fā)送不同等級的預(yù)警狀態(tài)。系統(tǒng)工作時，首先需要在公路施工側(cè)來車方向擺放兩級移動式預(yù)警檢測裝置，二級預(yù)警裝置之間保持足夠的距離，以保證足夠的緩沖距離和反應(yīng)時間。

運行過程中，前級預(yù)警裝置首先會對來向車輛進行車速檢測，同時抓拍車輛運行照片，并通過LED顯示屏對車輛駕駛員進行施工警示和車速提示，內(nèi)置的高速處理器根據(jù)雷達(dá)檢測到的車輛速度信息對車輛運行狀態(tài)進行分析，并將車輛車牌、車速等信息存儲后通過物聯(lián)網(wǎng)無線技術(shù)傳輸給后級預(yù)警裝置。后級預(yù)警裝置在獲取到前級預(yù)警裝置發(fā)送過來的信息后，會對經(jīng)過其檢測區(qū)域的車輛進行車速檢測、拍照，并使用前級系統(tǒng)發(fā)送過來的檢測信息進行信息比照分析，判斷被測車輛通過兩級預(yù)警裝置時所處的運行狀態(tài)，從而判斷車輛所處的運行狀態(tài)是否危險，是否會影響公路養(yǎng)護人員生命安全。本系統(tǒng)在實際工作中采用圖3的使用模式。

2.3 預(yù)警提示模式

預(yù)警肩燈作為整個預(yù)警系統(tǒng)的末端起到最終的警示作用，其通過獲取后級預(yù)警裝置傳輸?shù)念A(yù)警信息，以肩燈的閃爍和震動狀態(tài)作為警示效果，為使用者提供不同的危險等級提示。

（1）預(yù)警一級：車輛超速通過兩級預(yù)警裝置，危險度極高，肩燈爆閃，高速震動;

（2）預(yù)警二級：車輛超速通過前級預(yù)警裝置，未超速通過后級預(yù)警裝置，危險度中，肩燈高速閃爍，輕度震動;

（3）預(yù)警三級：車輛未超速通過兩級預(yù)警裝置，危險度低，肩燈緩速閃爍，無震動。

根據(jù)預(yù)警肩燈的不同提示狀態(tài)，公路養(yǎng)護人員可以預(yù)先對來向車輛的車速狀態(tài)進行預(yù)估，通過瞭望、躲避、撤離等手段來應(yīng)對可能發(fā)生的交通危險，從而盡可能避免人身財產(chǎn)受到損害。

2.4 系統(tǒng)功能實現(xiàn)

本系統(tǒng)的最終目的是希望能夠在養(yǎng)護人員在施工地點工作時，對過往車輛信息的行駛狀態(tài)及時了解，從而提高主動防護能力。同時希望能夠通過預(yù)警裝置LED顯示屏上現(xiàn)實的車牌、速度等信息，對駕駛員進行信息警示。

根據(jù)上述設(shè)計需求，本系統(tǒng)實現(xiàn)了以下功能：（1）對車輛的感應(yīng)和速度檢測功能;（2）對于數(shù)據(jù)的高速處理功能;（3）LED屏幕能夠明顯顯示出施工狀況和車輛運行速度;? ? （4）無線傳輸網(wǎng)絡(luò)通信良好，在實現(xiàn)多級信息互傳基礎(chǔ)上更能夠?qū)崿F(xiàn)信息上傳;（5）良好的信息反饋機制，實現(xiàn)主動安全預(yù)警。

基于上述設(shè)計，本系統(tǒng)可以實現(xiàn)對養(yǎng)護人員人身安全的主動防護功能，大大提升了公路養(yǎng)護人員的作業(yè)安全性。

3 社會效益分析

本方案的實施，可以給高速公路施工維護的工人提供有效的安全預(yù)警信息，提高工人主動安全防護的能力，減少施工工人安全事故，提高施工安全性。主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

（1）提高主動安全防護性。通過主動的預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計，大大增加了公路養(yǎng)護人員的主動防護手段，減少了對汽車駕駛員的依賴，可在雙重防護機制下，將安全防護主動權(quán)緊緊握在公路養(yǎng)護人員自己手里。

（2）降低事故發(fā)生率。通過本系統(tǒng)的雙向提示機制，既能夠讓車輛駕駛員及時了解道路養(yǎng)護狀況，又能對公路養(yǎng)護人員進行直觀、有效的預(yù)警提示，從駕駛員和養(yǎng)護人員雙重角度增加了安全保障的“保護鎖”。

（3）推動公路安全人性化發(fā)展。本交通預(yù)警系統(tǒng)的應(yīng)用，能改變傳統(tǒng)公路養(yǎng)護人員被動的安全防護模式，大幅提升相關(guān)人員的主動安全防護效果，給予公路養(yǎng)護人員更好的人身安全保障。

（4）提供事故依據(jù)。本系統(tǒng)在進行預(yù)警的同時，還可以提供相關(guān)數(shù)據(jù)信息。一旦預(yù)警機制沒有最終起到作用，造成人員傷亡的慘劇，本系統(tǒng)內(nèi)存儲的車輛速度信息和抓拍功能可以為后期事故追責(zé)的證據(jù)，為交警部門、保險部門等提供責(zé)任認(rèn)定、經(jīng)濟理賠等的判斷依據(jù)。

4 結(jié)語

我國的高速公路總里程已經(jīng)超過15萬km，已經(jīng)成為國家經(jīng)濟發(fā)展主動脈，高速公路成為名副其實的“黃金路”。正是在這種情況下，高速公路的維護更顯重要，維護好高速公路，才能讓經(jīng)濟動脈不栓塞。有效保護公路養(yǎng)護人員，是讓高速公路更好地為社會服務(wù)、為經(jīng)濟服務(wù)的前提。本設(shè)計通過增加主動檢測預(yù)警機制，盡可能地提升公路養(yǎng)護維護人員的人身安全性，并且結(jié)合LED、頻閃燈等裝置，能在能見度低和夜間條件下保障施工人員的人身安全。結(jié)合“智慧交通”建設(shè)項目的蓬勃發(fā)展，人身安全的主動預(yù)警技術(shù)研究還會不斷深入，本設(shè)計可以為相關(guān)研究提供一定的參考。

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（編輯 傅金睿）